第2章電磁輻射與地物光譜2ppt課件

1、遙遙 感感 教教 研研 室室主講人：孟治國(guó)主講人：孟治國(guó)本章，我們主要解決兩個(gè)問(wèn)題：本章，我們主要解決兩個(gè)問(wèn)題： 1. 什么是電磁波？什么是電磁波？ 2. 在遙感技術(shù)中，如何利用電在遙感技術(shù)中，如何利用電磁波來(lái)提磁波來(lái)提取地物信息？取地物信息？ 2.1 電磁波與電磁波譜電磁波與電磁波譜2.2 大氣與電磁輻射的相互作用及大氣窗口大氣與電磁輻射的相互作用及大氣窗口2.3 典型地物波譜特性典型地物波譜特性2.4 彩色合成原理彩色合成原理學(xué)習(xí)內(nèi)容學(xué)習(xí)內(nèi)容 電磁波是遙感信息的載體；電電磁波是遙感信息的載體；電磁波理論是遙感的物理理論基礎(chǔ)。磁波理論是遙感的物理理論基礎(chǔ)。 目前遙感技術(shù)中通常采用的電磁波位于

2、可見(jiàn)光、紅外和微波波譜區(qū)間。由于它們的波長(zhǎng)或頻率不同，不同電磁波又表現(xiàn)出各自的特性和特點(diǎn)。可見(jiàn)光、紅外和微波遙感，就是利用不同電磁波的特性。電磁波與地物相互作用特點(diǎn)與過(guò)程，是遙感成像機(jī)理探討的主要內(nèi)容。遙感是利用傳感器主動(dòng)或被動(dòng)地接受地面目標(biāo)遙感是利用傳感器主動(dòng)或被動(dòng)地接受地面目標(biāo)反射或發(fā)射的電磁波，通過(guò)電磁波所傳遞的信反射或發(fā)射的電磁波，通過(guò)電磁波所傳遞的信息來(lái)識(shí)別目標(biāo)，從而達(dá)到探測(cè)目標(biāo)物的目的。息來(lái)識(shí)別目標(biāo)，從而達(dá)到探測(cè)目標(biāo)物的目的。應(yīng)掌握有關(guān)電磁波的知識(shí)應(yīng)掌握有關(guān)電磁波的知識(shí)1電磁波是電磁振動(dòng)的傳播。當(dāng)電磁振蕩進(jìn)入空間電磁波是電磁振動(dòng)的傳播。當(dāng)電磁振蕩進(jìn)入空間時(shí)，變化的磁場(chǎng)激發(fā)了變化的電

3、場(chǎng)，使電磁振蕩在時(shí)，變化的磁場(chǎng)激發(fā)了變化的電場(chǎng)，使電磁振蕩在空間傳播，形成電磁波，也稱電磁輻射。空間傳播，形成電磁波，也稱電磁輻射。2電磁波是橫波，質(zhì)點(diǎn)的震動(dòng)方向與波的傳播方向電磁波是橫波，質(zhì)點(diǎn)的震動(dòng)方向與波的傳播方向垂直。在傳播過(guò)程中，遵循波的反射、折射、衍射、垂直。在傳播過(guò)程中，遵循波的反射、折射、衍射、散射、干涉、吸收等傳播規(guī)律。散射、干涉、吸收等傳播規(guī)律。E 電場(chǎng)，M 磁場(chǎng)，C 傳播方向3電磁波在真空中以光速傳播。電磁波在真空中以光速傳播。4滿足方程：滿足方程： f.=c (波動(dòng)性波動(dòng)性)E=h.f （粒子性）（粒子性）具有波粒二象性具有波粒二象性 麥克斯韋（1831-1879） 普朗

4、克（1858-1947） 愛(ài)因斯坦（1879-1955） 波動(dòng)性粒子性Amplitude (A)Wavelength (lambda, l)Period (T) Frequency (f=1/T), 單位：赫茲單位：赫茲(HZ),表示表示1秒內(nèi)波傳播的次數(shù)秒內(nèi)波傳播的次數(shù)Velocity (v) 真空中，c=2.998*108m/sec傳播kxtAsin其中： w = 2p/T k = 2p/l f為相位電場(chǎng)強(qiáng)度Maxwells wave theory c = lfMaxwells Equations 把電磁波作為粒子對(duì)待時(shí)，能量: E = hfh, Planks constant (6.62

5、6 * 10-34 Js)能量越大，波長(zhǎng)越短，粒子性越強(qiáng)，直線性越強(qiáng)。 反射、吸收和透射的能量和等于入射的總能量反射率=（反射能量/入射總能量）*100%吸收率=（吸收能量/入射總能量）*100%透射率= （透射反射能量/入射總能量）*100%散射：輻射傳播中，若遇到小粒子，會(huì)向四面八方散去，電磁波強(qiáng)度和方向發(fā)生各種變化，即散射。強(qiáng)度隨波長(zhǎng)改變。電磁波譜定義：按照電磁波在真空中傳播的波長(zhǎng)或頻率，遞電磁波譜定義：按照電磁波在真空中傳播的波長(zhǎng)或頻率，遞增或遞減排列，形成的一個(gè)連續(xù)譜帶。增或遞減排列，形成的一個(gè)連續(xù)譜帶?？梢?jiàn)光：可見(jiàn)光：紫色光紫色光 （ 0.380.43 m ）藍(lán)色光藍(lán)色光 （ 0.

6、430.47 m ）青色光青色光 （ 0.470.50 m ）綠色光綠色光 （ 0.500.56 m ）黃色光黃色光 （ 0.560.59 m ）橙色光橙色光 （ 0.590.62 m ）紅色光紅色光 （ 0.620.76 m ）紅外(Infrared, IR)反射紅外reflective IR）：0.7-3.0m熱紅外(Thermal IR)：3.0-100m以往用法： 近紅外：0.7-1.1 m 中紅外：1.1-3.0 m 遠(yuǎn)紅外：8.0-100 m目前遙感界習(xí)慣用法： 近紅外NIR, near-infrared）：0.7-1.1 m 短波紅外(SWIR, shortwave IR）：1.

7、1-3.0 m 中紅外(MWIR, Mid wave IR)：3.0-6.0 m 熱紅外(TIR, Thermal IR)： 8.0-15 m微波波段(1mm-1m, 最常用1cm-1m)遙感常用波段符號(hào)：P：30-100cmL: 15-30cmS: 7.5-15cmC: 3.75-7.5cmX: 2.4-3.75cmKu: 1.57(1.7)-2.4cmK: 1.1-1.57(1.7)cmKa: 0.75-1.1cm)cos(AL 固體或液體，在任何溫度下都在發(fā)射各種固體或液體，在任何溫度下都在發(fā)射各種波長(zhǎng)的電磁波，這種由于物體中的分子、原波長(zhǎng)的電磁波，這種由于物體中的分子、原子受到激發(fā)而發(fā)

8、射電磁波的現(xiàn)象稱為熱輻射子受到激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象稱為熱輻射。所輻射電磁波的特征僅與溫度有關(guān)。所輻射電磁波的特征僅與溫度有關(guān)。固體在溫度升高時(shí)顏色的變化固體在溫度升高時(shí)顏色的變化1400K800K1000K1200K1. 1. 熱輻射現(xiàn)象熱輻射現(xiàn)象物體可輻射能量也可吸收能量，當(dāng)輻射和吸收的能物體可輻射能量也可吸收能量，當(dāng)輻射和吸收的能量恰相等時(shí)稱為熱平衡。此時(shí)物體溫度恒定不變。量恰相等時(shí)稱為熱平衡。此時(shí)物體溫度恒定不變。單色輻出度單色輻出度dTdMTM),(),(單位時(shí)間、單位表面積、單位時(shí)間、單位表面積、上所輻射出的，單位波長(zhǎng)上所輻射出的，單位波長(zhǎng)間隔中的能量。間隔中的能量。輻射出射度輻射

9、出射度單位時(shí)間、單位表面積、單位時(shí)間、單位表面積、上所輻射出的各種波長(zhǎng)上所輻射出的各種波長(zhǎng)電磁波的能量。電磁波的能量。0),()(dTMTM能全部吸收各種波長(zhǎng)的輻射能而不發(fā)生反射，能全部吸收各種波長(zhǎng)的輻射能而不發(fā)生反射，折射和透射的物體稱為絕對(duì)黑體。簡(jiǎn)稱黑體折射和透射的物體稱為絕對(duì)黑體。簡(jiǎn)稱黑體 不透明的材料制成帶小孔的的空腔不透明的材料制成帶小孔的的空腔, ,可近似看可近似看作黑體。作黑體。黑體模型黑體模型 研究黑體輻射的研究黑體輻射的規(guī)律是了解一般物體規(guī)律是了解一般物體熱輻射性質(zhì)的基礎(chǔ)。熱輻射性質(zhì)的基礎(chǔ)。普朗克定律112,52kThcehcTM其中：h, Planck 常數(shù)，h=6.631

10、0-34Jsc, 光速k = 1.380610-23JK-1, Boltzmann常數(shù)T, 絕對(duì)溫度M, 輻射出射度；Wm-2mm-1 M= T4為斯忒藩一玻爾茲曼常數(shù)， =5.67 10-8W/m2K4。斯忒藩一玻爾茲曼定律KmT3max10879. 2溫度T/K3005001000200030004000500060007000波長(zhǎng)max/m9.665.802.901.450.970.720.580.480.41瑞利-金斯定律 hclkT， M(l, T) = 2pckT/l4kThcekThc1 實(shí)際物體的輻射不同于絕對(duì)黑體的輻射，在相同溫度下，實(shí)實(shí)際物體的輻射不同于絕對(duì)黑體的輻射，在相

11、同溫度下，實(shí)際物體的輻射出射度輻射通量密度比絕對(duì)黑體的要低。際物體的輻射出射度輻射通量密度比絕對(duì)黑體的要低。 地物發(fā)射某一波長(zhǎng)的輻射出射度輻射通量密度與同溫下地物發(fā)射某一波長(zhǎng)的輻射出射度輻射通量密度與同溫下黑體在同一波長(zhǎng)上的輻射出射度之比，稱地物光譜發(fā)射率黑體在同一波長(zhǎng)上的輻射出射度之比，稱地物光譜發(fā)射率emissivity）(也稱比輻射率也稱比輻射率)，即：，即： = M /M 發(fā)射率是一個(gè)數(shù)字，其值介于發(fā)射率是一個(gè)數(shù)字，其值介于0和和1之間，作為比較一輻射源之間，作為比較一輻射源接近黑體的程度。接近黑體的程度。不同地物有不同的不同地物有不同的，同一地物在不同波段的波譜發(fā)射率，同一地物在不同

12、波段的波譜發(fā)射率也不同。也不同。實(shí)際地物的發(fā)射分兩種情況1選擇性輻射體，在各波長(zhǎng)處的發(fā)射率不同；（2灰體，在一定溫度下，其各處的發(fā)射率相等。按發(fā)射率變化情況，將地物分為以下幾個(gè)類型：（1黑體或絕對(duì)黑體 發(fā)射率 1，即對(duì)所有波長(zhǎng)黑體發(fā)射率都是一個(gè)常數(shù)1反射率 0，透射率 0）。（2灰體 發(fā)射率 常數(shù)1，即灰體的發(fā)射率始終小于1且不隨波長(zhǎng)變化反過(guò)來(lái)說(shuō)，物體對(duì)各種波長(zhǎng)的吸收率小于1，又近似地為一常數(shù)）。（3選擇性輻射體 其發(fā)射率隨波長(zhǎng)而變化具有選擇性吸收），而且 1。 自然界中，絕大多數(shù)物體為灰體。 在任一給定的溫度下，輻射出射度(輻射通量密度)與吸收率之比對(duì)任何材料都是常數(shù)，并等于該溫度下黑體的輻射通量密度。即： M /= M 為吸收率發(fā)射率定義： =